尽管锂离子电池在实际生活中被广泛应用,但其能量密度几乎已接近理论值的极限,无法满足当今人们对长循环、高容量储能装置的需求。锂硫电池因其高理论比容（1675 mAh/g）和能量密度（2600 mWh/g）,以及活性物质硫储量丰富、无毒低价,受到越来越多研究者们的青睐,成为极具应用前景的新一代二次电池。但其在商业化道路上,还面临一些问题:硫及其产物是电子和离子的绝缘体;反应前后活性材料体积变化大;中间产物易溶于电解液引发“穿梭效应”以及锂负极枝晶等。针对上述问题,本文系统地研究了锂硫电池的正/负极材料改性,设计复合材料夹层和隔膜构建新型电池结构,并开拓新型制备方法,采用物理气相沉积技术（电子束蒸发和磁控溅射）构筑复合材料。首先,深入探讨了微/介/大孔炭的孔特性与电化学性能的关系;再以优选多孔炭为基体,制备氧化铁/多孔炭复合材料对正极进行改性;然后,设计多孔炭纸/氧化铝复合材料夹层、氮化钛/微/介孔炭复合材料隔膜涂层,改变电池结构;最后,创新地在锂负极表面包覆金属铜膜,保护锂负极,抑制锂枝晶生长。本文主要研究工作和成果如下:分别以蔗糖、葡萄糖为炭源,纳米碳酸钙为模板,制备微/介/大孔炭材料。对多孔炭和硫/炭复合正极进行充分的材料表征和性能测试,研究多孔炭的孔特性与电化学性能的关系。研究表明:炭载体在载硫量相同的情况下,孔尺寸分布是影响正极性能的主要因素,微孔容积占总孔容的比例越大,炭载体对可溶多硫化物的吸附效果越好。样品中,蔗糖在950?C炭化所得分级多孔炭C950具有最高的微孔容积比例47.54%,但比表面积（1217 m²/g）和总孔容（0.54 cm³/g）都差强人意。相应的硫/炭复合正极却表现出最佳的循环性能,在0.2 C倍率下,首次放电容量为1327 mAh/g,100次循环后还维持有630 mAh/g,基于C950材料,采用溶液浸渍法,在炭孔内原位生成极性Fe₂O₃纳米颗粒进行改性,研究Fe₂O₃对硫/炭复合正极性能的影响,并与炭材料直接混合Fe₂O₃的正极相比较。结果表明:引入Fe₂O₃可减缓正极的容量衰减,且炭孔内的Fe₂O₃使复合正极材料（Fe₂O₃@C/S）表现出最佳的容量维持性能,在0.5 C倍率下,首次放电容量为1125 mAh/g,100次循环后剩余601 mAh/g。设计复合材料夹层构筑新型电池结构。将商业滤纸炭化得到多孔炭纸,用电子束蒸发技术在炭纸表面蒸镀Al₂O₃,多孔炭纸/Al₂O₃复合材料置于锂硫电池的隔膜与正极之间,以70 wt%硫和30 wt%乙炔黑混合物作正极,研究Al₂O₃沉积的炭夹层对电池电化学性能的影响。结果表明:Al₂O₃最佳沉积时间为200 s,相应的多孔炭纸/Al₂O₃夹层电池在0.5 C倍率下,首次放电容量1253 mAh/g,120次循环后还维持有700 mAh/g,显著优于单纯的炭纸夹层电池和传统电池。并通过对循环后的电池夹层进行表征,证明多硫化物被有效拦截在夹层内。设计涂层隔膜构筑新型电池结构。以柠檬酸镁为炭源,制备了一种具有高比表面积（1571 m²/g）和孔容（1.56 cm³/g）的微/介孔炭,与高导电的极性TiN纳米颗粒混合,涂敷在商业隔膜表面,涂层位于正极和隔膜之间,以60 wt%硫和40 wt%乙炔黑混合物作正极,研究改性隔膜对锂硫电池性能的影响,并探究材料的作用机理。实验表明:改性隔膜电池在1 C倍率下,首次放电容量为1130 mAh/g,400次循环后还维持有500 mAh/g,显示了卓越的循环性能。对循环后的改性隔膜进行表征分析,得出结论:TiN和多硫化物之间形成的N-S键,发挥了有效的化学吸附作用。使用磁控溅射技术在锂片表面包覆金属铜膜,研究铜膜对锂负极的保护作用。并将改性锂负极与硫/炭复合正极组装成锂硫电池,研究铜膜对电池性能的影响。实验表明:溅射时间为300 s的铜膜不仅可以保护锂负极,抑制锂枝晶生长,而且所组装的锂硫电池显示了改善的循环性能和容量维持率,在0.5 C倍率下,首次释放容量为1148 mAh/g,300次循环后还维持有526 mAh/g,库伦效率高达99.6%。而采用原始锂负极的锂硫电池在200次循环后仅剩余490 mAh/g。